GMSL助力簡化車載安防系統(tǒng)并提升視頻性能
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什么是車載安全系統(tǒng)？
車載安防系統(tǒng)用于公交車、出租車、卡車和其他類型車輛的智能監(jiān)控、調(diào)度和應(yīng)急響應(yīng)，可實時監(jiān)控車輛內(nèi)部和周圍環(huán)境，同時對車輛進行高精度定位。車載安全系統(tǒng)的視頻分析功能能夠?qū)崟r、準確地檢測到異常駕駛行為，隨即向駕駛員發(fā)出警報，從而防患于未然，保障駕駛員與乘客的安全。當遭遇扒竊、交通事故等突發(fā)事件時，包含關(guān)鍵數(shù)據(jù)的視頻片段可導(dǎo)出給執(zhí)法機構(gòu)作為取證依據(jù)。
車載安全系統(tǒng)通常由錄像機、攝像頭和監(jiān)視器構(gòu)成。圖1展示了車載安防系統(tǒng)的典型方框圖。
圖1 車載安防系統(tǒng)方框圖
數(shù)字錄像機(DVR)身兼數(shù)職，既是錄像機，也是數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。它會接收來自外部的各類信號，如攝像頭、輸入/輸出(IO)設(shè)備、速度脈沖、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)等發(fā)出的信號，將視頻錄制數(shù)據(jù)存儲于本地硬盤，并通過監(jiān)視器和揚聲器與用戶交互，同時借助局域網(wǎng)(LAN)端口或3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)與云端進行通信。DVR通常安裝在駕駛座附近。圖2展示了公交車內(nèi)安裝的DVR示例。
圖2 公交車車載安防系統(tǒng)示例，展示了駕駛座攝像頭、數(shù)字錄像機(DVR)和監(jiān)視器
圖2還展示了安裝在駕駛座上方的攝像頭（用于監(jiān)控駕駛員行為），以及安裝在駕駛艙前門處的攝像頭（用于監(jiān)控前門和過道）。同樣，車廂內(nèi)車門上方也裝有攝像頭，用于監(jiān)控客流情況，為駕駛員判斷關(guān)門時機提供依據(jù)（圖3）。監(jiān)視器/屏幕通常安裝在駕駛座附近，方便駕駛員查看。監(jiān)視器不僅提供與DVR及整個車載安全系統(tǒng)的交互界面，還能實時顯示各個位置攝像頭回傳的實時畫面，以便駕駛員更好地做出判斷。
圖3 公交車車載安防系統(tǒng)示例，展示了監(jiān)控后門的攝像頭
圖4是另一個監(jiān)視器安裝示例，其用途是方便乘客觀察公交車二層的座位情況。
圖4 公交車車載安防系統(tǒng)示例，向乘客展示公交車二層的座位情況
車載安防系統(tǒng)本質(zhì)上是車載閉路電視(CCTV)系統(tǒng)，為駕駛員觀察車內(nèi)情況和盲區(qū)提供了便利視角，同時還能向遠程車輛指揮調(diào)度中心實時傳輸車輛運行數(shù)據(jù)和圖像。
錄像機、攝像頭與監(jiān)視器的傳統(tǒng)解決方案
圖5展示了一種常見的DVR硬件解決方案，其中的主要信號鏈路如下：外部模擬攝像頭的模擬視頻信號傳輸至視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，又稱視頻解碼器），由ADC將模擬視頻信號（即復(fù)合視頻基帶信號(CVBS)、模擬高清(AHD)信號或傳輸視頻接口(TVI)信號）轉(zhuǎn)換/解碼為數(shù)字視頻信號，例如BT656。通常，CVBS可傳輸?shù)淖畲蠓直媛蕿?76i，而TVI則能傳輸8K12.5p的信號。模擬音頻信號的處理方式與之類似，會被轉(zhuǎn)換為I2S格式。一般而言，片上系統(tǒng)(SoC)本身配備視頻輸出端口，用于輸出用戶交互界面的視頻流，通常為HDMI?、VGA或CVBS接口。
圖5 典型的DVR硬件系統(tǒng)方框圖
圖6展示了一種經(jīng)過簡化的模擬攝像頭系統(tǒng)，借助視頻處理器的功能來提升圖像質(zhì)量。圖像傳感器將捕獲的光線轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過MIPI、UART/I2C、GPIO等接口輸入至視頻處理器。視頻處理器起到核心作用，它運用了多種技術(shù)，例如，通過色彩空間轉(zhuǎn)換，確保與各類顯示標準兼容；通過圖像校正，調(diào)整光學(xué)畸變；通過曝光補償，優(yōu)化不同光照條件下的圖像清晰度。
處理完成后，輸出信號被傳送至TVI/AHD/CVBS編碼器，將處理后的信號編碼為適用于傳統(tǒng)視頻傳輸方案的標準視頻格式，并通過75 Ω SMA連接器傳輸。
此外，系統(tǒng)中還包含電源電路，通過額外的電源連接器為整個設(shè)備供電。為增強控制與通信，系統(tǒng)還應(yīng)有RS-232/晶體管-晶體管邏輯(TTL)低速連接器，以提供更多連接選擇。
圖6 典型的模擬攝像頭硬件方框圖
圖7描繪了IP攝像頭系統(tǒng)的架構(gòu)，可將原始傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，供攝像頭控制器處理和分析。
處理的第一階段發(fā)生在MIPI物理層(PHY)，傳感器輸出在此完成初步數(shù)字轉(zhuǎn)換。該接口將圖像MIPI數(shù)據(jù)包解碼至像素級別，以便攝像頭控制器進行分析和調(diào)整。
數(shù)據(jù)隨后傳輸至攝像頭控制器，這一核心元件負責協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)并為后續(xù)處理做好鋪墊。與之相連的是媒體訪問控制(MAC)以太網(wǎng)PHY，負責管理網(wǎng)絡(luò)通信，處理數(shù)據(jù)包的格式化、尋址和網(wǎng)絡(luò)傳輸，確保攝像頭與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接。
最后，另一端以太網(wǎng)PHY將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為可供SoC最終處理的RGMII。SoC整合所有輸入信息，執(zhí)行復(fù)雜計算并基于整合的視頻數(shù)據(jù)做出決策。這套流程確保IP攝像頭系統(tǒng)不僅能捕獲圖像，還能隨時用于安防、監(jiān)控和分析應(yīng)用。
圖7 典型的IP攝像頭硬件方框圖
模擬攝像頭的線纜需要75 Ω同軸電纜傳輸模擬視頻信號，并使用獨立的電源線傳輸電力，此外還需額外的RS-232或RS-485線纜來傳輸控制信號。參見圖8。
圖8 模擬攝像頭的同軸電纜
IP攝像頭的線纜是標準以太網(wǎng)電纜，如CAT3或CAT5。若不支持以太網(wǎng)供電(PoE)，則需額外配置電源線。以太網(wǎng)電纜由四對雙絞線構(gòu)成（圖9），絞合設(shè)計可減少信號干擾。
圖9 IP攝像頭的以太網(wǎng)電纜
圖10展示了監(jiān)視器系統(tǒng)方框圖，描繪了一個的復(fù)雜系統(tǒng)框架，用于管理DVR和顯示視頻信號。位于方框圖核心的微控制器，負責協(xié)調(diào)各類輸入和輸出以確保運行流暢。
從左側(cè)開始，AVI通過75 Ω連接器連接至系統(tǒng)。隨后，模擬視頻信號被送入TVI/AHD/CVBS解碼器。解碼器將多種視頻格式轉(zhuǎn)換為標準化數(shù)字輸出。
通過I2C接口連接的控制器負責處理這些數(shù)字數(shù)據(jù)，是多個關(guān)鍵通路的樞紐。它直接與LCD顯示屏及其觸控集成電路(IC)通信，通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光來控制亮度等，并處理來自觸控面板的輸入。
額外的通信接口包括RS-422/TTL和GPIO，分別支持遠距離數(shù)據(jù)傳輸和通用輸入/輸出任務(wù)。這些特性對于調(diào)節(jié)顯示設(shè)置、集成附加功能等交互任務(wù)而言至關(guān)重要。
圖10 典型的監(jiān)視器硬件方框圖
需要注意的是，連接監(jiān)視器的線纜除了傳輸點對點信號和模擬視頻信號的線纜外，還需配備傳輸RS-422信號的線纜（圖11）。
圖11 RS-422連接器引腳信號
傳統(tǒng)CCTV硬件解決方案需配備多種線纜，包括視頻編解碼線纜、同軸電纜、以太網(wǎng)電纜、電源線以及控制信號(RS-422/RS-485/RS-232)線纜，會增加安裝的復(fù)雜性與成本。
GMSL的特性可應(yīng)用于車載安全系統(tǒng)
攝像頭和顯示屏的數(shù)量不斷增加，圖像質(zhì)量不斷提高，因此需要更高的數(shù)據(jù)速率進行視頻傳輸。ADI公司的千兆多媒體串行鏈路(GMSL)技術(shù)能夠滿足此類需求，并在此過程中簡化系統(tǒng)架構(gòu)并降低成本。GMSL可鏈接和傳輸相機到計算機、計算機之間或從計算機到顯示屏的視頻。GMSL的創(chuàng)新持續(xù)延伸至下一代技術(shù)，進一步為更高性能的計算機應(yīng)用和軟件定義應(yīng)用賦能，使之具備更先進的功能與能力。
新一代GMSL向后兼容上一代產(chǎn)品，輕松解決了代際過渡問題。
GMSL可通過單根同軸電纜或屏蔽雙絞線(STP)，傳輸高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)傳感器所需的所有信號（如MIPI-CSI、I2C、GPIO等）。如圖12所示，采用GMSL連接的攝像頭通常只需一個連接器，即可滿足視頻、供電、控制、同步、觸覺反饋、觸控、軟件更新、狀態(tài)報告等多種需求。由此大幅降低了系統(tǒng)的重量、能耗、音視頻成本及復(fù)雜性。
我們的解決方案在SERDES市場中具有性能優(yōu)勢，目前量產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)速率高達12 Gbps。GMSL擁有100多個經(jīng)過優(yōu)化的部件，可確保滿足小尺寸系統(tǒng)和低功耗要求。
ADI公司已大幅擴展了面向攝像頭與顯示應(yīng)用的GMSL產(chǎn)品系列，市場覆蓋范圍廣泛。表1列出了最新GMSL2/GMSL3串行器的主要參數(shù)與特性，表2則展示了GMSL2/GMSL3解串器的對應(yīng)參數(shù)與特性。所支持的視頻接口包括LVDS、HDMI和MIPI CSI-2。其中，MAX9295D可與表1中標記為“向后兼容GMSL1”的器件配對使用。
GMSL方案帶來的優(yōu)勢與潛力
表1和表2所示的最大前向鏈路速率，指的是GMSL協(xié)議在串行鏈路上編碼的比特率。與此同時，I2C、UART、GPIO等控制信號也通過該鏈路進行傳輸。表3對比了市場上與GMSL解決方案形成競爭的部分主流監(jiān)控攝像頭解決方案的性能參數(shù)。
圖12 典型的GMSL硬件方框圖
表1 串行器及參數(shù)
特性 | MAX96717/MAX96717F/MAX96717R | MAX9295D | MAX96793 | MAX96751 |
產(chǎn)品系列 | GMSL2 | GMSL2 | GMSL3 | GMSL2 |
向后兼容 | GMSL1 | GMSL2 | ||
最大前向鏈路速率 | 6 Gbps（版本F和R支持3 Gbps） | 6 Gbps | 12 Gbps | 6 Gbps |
GMSL鏈路 | 1 | 1 | 1 | 2 |
視頻接口 | CSI-2 DPHY 2.5 Gbps/通道， 1個端口 × 4個通道 （版本R為0.6 Gbps/通道） | CSI-2 DPHY 2.5 Gbps/通道， 2個端口 × 4個通道 | CSI-2 DPHY 2.5 Gbps/通道， 1個端口 × 4個通道； CSI-2 CPHY 3.42 Gbps/通道 1個端口 × 2個通道 | HDMI 1.4/2.0， 1個端口 × 4個通道，支持HDMI音頻 |
封裝尺寸 | 5 mm × 5 mm，32個引腳 | 7 mm × 7 mm，48個引腳 | 5 mm × 5 mm，32個引腳 | 8 mm × 8 mm，56個引腳 |
反向通道 | I2C/UART/SPI（版本R僅支持I2C） | I2C/UART/SPI | I2C/UART/SPI | I2C/UART/SPI/I2S |
ASIL額定值 | ASIL-B（版本R支持QM） | ASIL-B | ASIL-B | ASIL-B |
水印 | 是 | 是 | ||
溫度級 | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C |
表2 解串器及參數(shù)
特性 | MAX96714/ MAX96714F/ MAX96714R | MAX96716A/MAX96716F | MAX96724/MAX96724F/ MAX96724R | MAX96792A | MAX96752 |
產(chǎn)品系列 | GMSL2 | GMSL2 | GMSL2 | GMSL3 | GMSL2 |
向后兼容 | GMSL1 | GMSL1 | GMSL2 | ||
GMSL鏈路 | 1 | 2 | 4 | 2 | 2 |
最大前向鏈路速率 | 6 Gbps（版本F和R支持3 Gbps） | 6 Gbps（版本F支持3 Gbps） | 6 Gbps（版本F和R支持3 Gbps） | 12 Gbps | 6 Gbps |
DPHY | DPHY，2.5 Gbps/通道 | DPHY | |||
2.5 Gbps/通道 | CCPHY，5.7 Gbps/通道 | 2.5 Gbps/通道 | OLDI | ||
視頻接口 | DPHY 2.5 Gbps/ 通道 1個端口 × 4個通道 | 2個端口 × 4個通道 CPHY 4.56 Gbps/通道 | DPHY和CPHY均支持： 2個端口 × 4個通道 4個端口 × 2個通道 | 2個端口 × 4個通道 CPHY 5.7 Gbps/通道 | 1個端口 × 4個通道， 2個端口 × 4個通道， 1個端口 × 8個通道 |
2個端口 × 2個通道 | 1個端口 × 4個通道 + 2個端口 × 2個通道（不適用于版本R） | 2個端口 × 2個通道 | |||
封裝尺寸 | 5 mm × 5 mm，32個引腳 | 7 mm × 7 mm，48個引腳 | 8 mm × 8 mm，56個引腳 | 7 mm × 7 mm，48個引腳 | 8 mm × 8 mm，56個引腳 |
反向通道 | I2C/UART （版本R僅支持I2C） | I2C/UART/SPI | I2C/UART | I2C/UART/SPI | I2C/UART/SPI/I2S |
ASIL額定值 | ASIL-B（版本R支持QM） | ASIL-B | ASIL-B（版本R支持QM） | ASIL-B | ASIL-B |
溫度級 | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C | -40°C至+105°C |
表3 三種攝像頭解決方案的對比
解決方案 | 模擬攝像頭 | IP攝像頭 | GMSL攝像頭 |
編碼方案 | CVBS/TVI | H.264/H.265 | GMSL |
最高分辨率 | CVBS：576i (PAL) TVI：8 M，12.5 P | 4k，最高8k | GMSL3：8 MP，60 P GMSL2：8 MP，30 P |
視頻延遲 | CVBS：~60 ms TVI：~100 ms | 200 ms至500 ms | 非常低、確定性、微秒級 |
通過線纜傳輸控制數(shù)據(jù) | CVBS：否 TVI：是，僅支持I2C | 是 | 是，支持I2C/UART/SPI/GPIO |
線纜供電 | 不支持 | PoE，復(fù)雜，有源元件 | PoC，簡單，無源網(wǎng)絡(luò) |
硬件復(fù)雜性 | 復(fù)雜的攝像頭設(shè)計 | 復(fù)雜的攝像頭設(shè)計 | 簡化的攝像頭設(shè)計 |
圖13展示了GMSL攝像頭系統(tǒng)的硬件方框圖。
圖13 典型的GMSL攝像頭硬件系統(tǒng)
與圖6和圖7相比，GMSL SERDES解決方案大幅減少了攝像頭模塊所需的元器件數(shù)量。GMSL SERDES能夠同時雙向傳輸I2C/UART/SPI/GPIO信號，使SoC可通過GMSL訪問遠程圖像傳感器的其他外設(shè)，例如慣性測量單元(IMU)、G傳感器、LED控制器以及其他水平旋轉(zhuǎn)/垂直傾斜/變焦(PTZ)控制信號。GPIO的延遲達到微秒級，用戶因而能夠通過GPIO觸發(fā)單幀圖像采集。GMSL攝像頭的外部接口僅需一根50 Ω同軸電纜或一對屏蔽雙絞線。
MAX96717/MAX96793系列支持反向通道參考時鐘(RoR)，即由解串器通過反向通道傳輸?shù)臅r鐘，使得傳感器板可省去晶體振蕩器（圖14）。RoR省去晶體振蕩器后，能帶來多重優(yōu)勢：降低系統(tǒng)成本、提升可靠性、減少晶體振蕩器使用量，同時簡化電路板布局。
圖14 RoR信號鏈圖
圖15 典型的GMSL顯示屏硬件系統(tǒng)
從圖13和圖15可見，GMSL SERDES的視頻接口和控制接口直接與圖像傳感器和LCD面板相連，省去了微控制器(MCU)、視頻編解碼器、RS-485/RS-232收發(fā)器及其他連接器。此外，GMSL SERDES解決方案還具備多項優(yōu)勢：更大的視頻帶寬、超低且確定性的視頻延遲、極為簡化的硬件設(shè)計，而且僅需一根低成本同軸電纜或屏蔽雙絞線(STP)就能實現(xiàn)外部連接。
結(jié)語
GMSL SERDES解決方案是現(xiàn)有車載DVR方案的有效替代方案，不僅能降低板載材料與線纜成本，還可提供更高的視頻帶寬和更低的視頻延遲。
參考文獻
1 “理解模擬視頻信號”，ADI公司，2002年9月。
2 Ferenc Barany，“AN-945：模擬視頻的系統(tǒng)帶寬與分辨率對比”，ADI公司，2007年11月。
3 Kainan Wang，“千兆多媒體串行鏈路(GMSL)攝像頭用作GigE Vision攝像頭的替代方案”，模擬對話，第57卷，2023年12月。
作者簡介
Yaxian Li是ADI都柏林技術(shù)支持團隊的應(yīng)用工程師。他于2018年畢業(yè)于杭州電子科技大學(xué)，獲電氣工程及自動化專業(yè)學(xué)士學(xué)位，隨后在2020年加入Maxim Integrated（現(xiàn)已并入ADI）。他的研究方向為千兆多媒體串行鏈路(GMSL)和射頻(RF)技術(shù)。
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